基于PLC的六自由度机械臂控制系统研究
基于PLC的六自由度机械臂控制系统研究
发表时间：2018-05-02T13:29:38.860Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第33期作者：王铮
[导读] 如今的工厂生产对于机械臂的依赖程度越来越大，由于机械臂能够通过对人体手臂的结构以及工作方式进行模拟。
摘要：如今的工厂生产对于机械臂的依赖程度越来越大，由于机械臂能够通过对人体手臂的结构以及工作方式进行模拟，因此机械臂的发展对于生产生活的今后发展具有十分重要的作用。六自由度机械臂是对人体优化程序学更高度模拟的一种机械臂结构，因此其在工厂生产中的应用也十分常见，但是相比于传统的机械臂结构，六自由度机械臂具有更加困难的操控步骤，因此导致其控制系统的开发也在不断进步。本文主要基于PLC六自由度机械臂控制系统的研究，对机械臂的操控提出了控制系统的调整模式，以期能够为今后六自由度机械臂更好的应用做出微薄贡献。
关键词：PLC；控制系统；六自由度
目前六自由度机械臂的操控方法已经受到了有关人员高度的关注，本文作者经过多年工作经验的总结，发现六自由度机械臂的控制系统依旧有着不小的提升空间，因此其控制系统依旧有着较大的提升空间。在本次对机械臂的总结过程中，本文作者发现PLC控制系统对于提升六自由度机械臂的操控性具有较好的作用，因此本文重点对PLC控制系统与六自由度机械臂的结合策略进行分析和讨论。
一、六自由度机械臂结构分析
一般来说，六自由度的机械臂主要结构就是其整个臂展长度的六个转弯出，通过并排连接的模式，使整个机械臂能够体现出人手臂的关节特征，确保其在工作过程中的精准和高效率程度[1]。在如今的机械臂发展过程中，为了能够保证机械臂的运行速度和销量，一般都会在机械臂的小臂位置装上气压设施，同时设施会通过接口与外部的设备进行连接，使六自由度机械臂能够更好的保障运行平稳程度。从六自由度机械臂的结构可以看出，该设施虽然结构的原理比较简单，但是由于其具有较高的人体优化程序学仿真程度，因此该机械臂的操控体系也应该受到管理人员的重视[2]。
二、PLC控制系统分析及概述
PLC控制系统在如今的社会上已经有了较为广泛的应用，由于该系统在各类生产设备的应用方面都比较强大，同时在抗干扰性方面首屈一指，因此PLC控制系统应用在目前来看相当广泛[3]。例如，在如今人们的生活中，很多空调系统都应用了PLC系统进行全盘的规划，对冷却水的使用以及溶液泵数据的采集都比较精准，因此能够更好的保证空调的制冷和发展，因此目前的该系统已经被广泛的应用。从以上的内容中可以看出，在机械臂的应用方面，如果能够大范围的使用PLC进行控制，对于六自由度机械臂的操控具有较强的引导作用，能够使该系统在运转的过程中更加便于控制，进而提升生产设备的生产效率[4]。
三、PLC远程控制系统目前应用过程中存在的问题
虽然PLC远程控制系统优点十分显著，但是目前来看在应用的过程中依旧出现了不少的问题。首先，远程控制人员的过程控制观念薄弱，会对生产的质量产生严重的影响，特别是对机械臂操控的远程控制质量来说，它要求员工必须具备较高的综合素质能力，对于复杂的远程控制技术有所了解。这一点主要体现于，远程控制人员为了缩短生产的周期，在远程控制的过程中，刻意追求远程控制的速度，对于产品的质量问题，并未做过多的考虑，也就导致产品存在一定的安全隐患。
其次，如果生产单位在对远程控制现场的管理过程中没有相应的管理框架作为支撑，就会使在远程控制环节管理阶层对于远程控制现场管理的秩序混乱，从而使生产单位的领导阶层在管理的过程中不能及时发现远程控制现场存在的安全问题和远程控制的质量问题，导致机械臂操控项目远程控制的过程控制管理困难。例如，部分生产单位在对远程控制现场的管理过程中没有相应比较完善的规章制度对远程控制的过程进行明文规定，这样就会导致部分远程控制人员在工作的过程中钻管理的漏洞，使机械臂操控项目远程控制管理的秩序混乱，整个生产的质量也不能够得到有效保障。
最后，机械臂操控的过程控制流程不规范主要表现为执行力较差这一现象。一方面，在机械臂操控的过程控制环节，缺乏有效的监督和规范，对质量管理体系的运行产生了极大的影响，在质量管理体系建立的过程中，依然按照传统的习惯，未能重视体系的重要性，没有按照体系的相关规定进行运作，而且在执行的过程中，缺乏有效的监督，对产品生产各个环节的把控出现质量问题。。
四、PLC系统应用于六自由度机械臂的注意事项
（一）提升过程控制观念
加强对员工过程控制观念的培养是实现六自由度机械臂控制优化过程控制整体质量提升的重要措施。在设计现场中，由于其所涉及的工作内容相对较多，设计作业人员种类较为复杂，使得主管部门很难对每一名设计人员进行管理，也难免会存在个别设计人员在工作过程中出现违规操作等情况，例如在六自由度机械臂控制优化的控制系统升级的环节中，会有部分设计人员不按照标准进行设计，给控制系统升级人员的安全造成隐患，导致质量受到影响。在设计现场采用问题管理模式能够对这种由于设计人员在操作上所存在的问题进行解决，从而降低问题给企业所带来的损失，但是其依然会增加优化程序的设计成本。所以，主管部门在设计现场管理过程中应当将这两种管理模式融合在一起，充分发挥其本身所具有的重要作用，不仅要重点解决已经发生的问题，还需要对未发生而要发生的问题进行预防，以避免各类问题的出现和发生，实现六自由度机械臂控制优化应用过程控制质量的全方位提升。
（二）完善监管框架
过程控制质量的真正提升需要在完善的监管框架下进行。基于以上这一点，如今的六自由度机械臂控制优化设计人员应该转变观念，都对设计现场的监管框架进行完善，使六自由度机械臂控制优化的过程控制能够在统一的框架下得到落实。就目前的情况来看，如今的六自由度机械臂控制优化管理人员可以出台相应的设计现场过程控制标准，对内部员工的设计进行严密监管，从而使设计现场的过程控制质量能够得以提升，促进六自由度机械臂控制优化质量的提升。
（三）规范控制流程
在规范控制流程方面，如今的六自由度机械臂控制优化主管部门应该做到对执行过程中出现的问题，及时的进行处理，不可以逃避看每个问题，应该正确认识到问题的严重性，充分发挥得内外审以及管理评审的重要性，对暴露出来的问题，进行严格的整改，进而提高执
基于PLC的六自由度机械臂控制系统研究
基于PLC的六自由度机械臂控制系统研究 发表时间：2018-05-02T13:29:38.860Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第33期作者：王铮 [导读] 如今的工厂生产对于机械臂的依赖程度越来越大，由于机械臂能够通过对人体手臂的结构以及工作方式进行模拟。 摘要：如今的工厂生产对于机械臂的依赖程度越来越大，由于机械臂能够通过对人体手臂的结构以及工作方式进行模拟，因此机械臂的发展对于生产生活的今后发展具有十分重要的作用。六自由度机械臂是对人体优化程序学更高度模拟的一种机械臂结构，因此其在工厂生产中的应用也十分常见，但是相比于传统的机械臂结构，六自由度机械臂具有更加困难的操控步骤，因此导致其控制系统的开发也在不断进步。本文主要基于PLC六自由度机械臂控制系统的研究，对机械臂的操控提出了控制系统的调整模式，以期能够为今后六自由度机械臂更好的应用做出微薄贡献。 关键词：PLC；控制系统；六自由度 目前六自由度机械臂的操控方法已经受到了有关人员高度的关注，本文作者经过多年工作经验的总结，发现六自由度机械臂的控制系统依旧有着不小的提升空间，因此其控制系统依旧有着较大的提升空间。在本次对机械臂的总结过程中，本文作者发现PLC控制系统对于提升六自由度机械臂的操控性具有较好的作用，因此本文重点对PLC控制系统与六自由度机械臂的结合策略进行分析和讨论。 一、六自由度机械臂结构分析 一般来说，六自由度的机械臂主要结构就是其整个臂展长度的六个转弯出，通过并排连接的模式，使整个机械臂能够体现出人手臂的关节特征，确保其在工作过程中的精准和高效率程度[1]。在如今的机械臂发展过程中，为了能够保证机械臂的运行速度和销量，一般都会在机械臂的小臂位置装上气压设施，同时设施会通过接口与外部的设备进行连接，使六自由度机械臂能够更好的保障运行平稳程度。从六自由度机械臂的结构可以看出，该设施虽然结构的原理比较简单，但是由于其具有较高的人体优化程序学仿真程度，因此该机械臂的操控体系也应该受到管理人员的重视[2]。 二、PLC控制系统分析及概述 PLC控制系统在如今的社会上已经有了较为广泛的应用，由于该系统在各类生产设备的应用方面都比较强大，同时在抗干扰性方面首屈一指，因此PLC控制系统应用在目前来看相当广泛[3]。例如，在如今人们的生活中，很多空调系统都应用了PLC系统进行全盘的规划，对冷却水的使用以及溶液泵数据的采集都比较精准，因此能够更好的保证空调的制冷和发展，因此目前的该系统已经被广泛的应用。从以上的内容中可以看出，在机械臂的应用方面，如果能够大范围的使用PLC进行控制，对于六自由度机械臂的操控具有较强的引导作用，能够使该系统在运转的过程中更加便于控制，进而提升生产设备的生产效率[4]。 三、PLC远程控制系统目前应用过程中存在的问题 虽然PLC远程控制系统优点十分显著，但是目前来看在应用的过程中依旧出现了不少的问题。首先，远程控制人员的过程控制观念薄弱，会对生产的质量产生严重的影响，特别是对机械臂操控的远程控制质量来说，它要求员工必须具备较高的综合素质能力，对于复杂的远程控制技术有所了解。这一点主要体现于，远程控制人员为了缩短生产的周期，在远程控制的过程中，刻意追求远程控制的速度，对于产品的质量问题，并未做过多的考虑，也就导致产品存在一定的安全隐患。 其次，如果生产单位在对远程控制现场的管理过程中没有相应的管理框架作为支撑，就会使在远程控制环节管理阶层对于远程控制现场管理的秩序混乱，从而使生产单位的领导阶层在管理的过程中不能及时发现远程控制现场存在的安全问题和远程控制的质量问题，导致机械臂操控项目远程控制的过程控制管理困难。例如，部分生产单位在对远程控制现场的管理过程中没有相应比较完善的规章制度对远程控制的过程进行明文规定，这样就会导致部分远程控制人员在工作的过程中钻管理的漏洞，使机械臂操控项目远程控制管理的秩序混乱，整个生产的质量也不能够得到有效保障。 最后，机械臂操控的过程控制流程不规范主要表现为执行力较差这一现象。一方面，在机械臂操控的过程控制环节，缺乏有效的监督和规范，对质量管理体系的运行产生了极大的影响，在质量管理体系建立的过程中，依然按照传统的习惯，未能重视体系的重要性，没有按照体系的相关规定进行运作，而且在执行的过程中，缺乏有效的监督，对产品生产各个环节的把控出现质量问题。。 四、PLC系统应用于六自由度机械臂的注意事项 （一）提升过程控制观念 加强对员工过程控制观念的培养是实现六自由度机械臂控制优化过程控制整体质量提升的重要措施。在设计现场中，由于其所涉及的工作内容相对较多，设计作业人员种类较为复杂，使得主管部门很难对每一名设计人员进行管理，也难免会存在个别设计人员在工作过程中出现违规操作等情况，例如在六自由度机械臂控制优化的控制系统升级的环节中，会有部分设计人员不按照标准进行设计，给控制系统升级人员的安全造成隐患，导致质量受到影响。在设计现场采用问题管理模式能够对这种由于设计人员在操作上所存在的问题进行解决，从而降低问题给企业所带来的损失，但是其依然会增加优化程序的设计成本。所以，主管部门在设计现场管理过程中应当将这两种管理模式融合在一起，充分发挥其本身所具有的重要作用，不仅要重点解决已经发生的问题，还需要对未发生而要发生的问题进行预防，以避免各类问题的出现和发生，实现六自由度机械臂控制优化应用过程控制质量的全方位提升。 （二）完善监管框架 过程控制质量的真正提升需要在完善的监管框架下进行。基于以上这一点，如今的六自由度机械臂控制优化设计人员应该转变观念，都对设计现场的监管框架进行完善，使六自由度机械臂控制优化的过程控制能够在统一的框架下得到落实。就目前的情况来看，如今的六自由度机械臂控制优化管理人员可以出台相应的设计现场过程控制标准，对内部员工的设计进行严密监管，从而使设计现场的过程控制质量能够得以提升，促进六自由度机械臂控制优化质量的提升。 （三）规范控制流程 在规范控制流程方面，如今的六自由度机械臂控制优化主管部门应该做到对执行过程中出现的问题，及时的进行处理，不可以逃避看每个问题，应该正确认识到问题的严重性，充分发挥得内外审以及管理评审的重要性，对暴露出来的问题，进行严格的整改，进而提高执
六轴运动机器人运动学求解分析_第九讲
六轴联动机械臂运动学及动力学求解分析 V0.9版 随着版本的不断更新，旧版本文档中的一些笔误得到了修正，同时文档内容更丰富，仿真程序更完善。 作者朱森光 Email zsgsoft@https://www.360docs.net/doc/1314892173.html, 完成时间 2016-02-28
1引言 笔者研究六轴联动机械臂源于当前的机器人产业热，平时比较关注当前热门产业的发展方向。笔者从事的工作是软件开发，工作内容跟机器人无关，但不妨碍研究机器人运动学及动力学，因为机器人运动学及动力学用到的纯粹是数学和计算机编程知识，学过线性代数和计算机编程技术的人都能研究它。利用业余时间翻阅了机器人运动学相关资料后撰写此文，希望能够起到抛砖引玉的作用引发更多的人发表有关机器人技术的原创性技术文章。本文内容的正确性经过笔者编程仿真验证可以信赖。 2机器建模 既然要研究机器人，那么首先要建立一个机械模型，本文将以典型的六轴联动机器臂为例进行介绍，图2-1为笔者使用3D技术建立的一个简单模型。首先建立一个大地坐标系，一般教科书上都是以大地为XY平面，垂直于大地向上方向为Z轴，本文为了跟教科书上有所区别同时不失一般性，将以水平向右方向为X轴，垂直于大地向上方向为Y轴，背离机器人面向人眼的方向为Z轴，移到电脑屏幕上那就是屏幕水平向右方向为X轴，屏幕竖直向上方向为Y轴，垂直于屏幕向外为Z轴，之所以建立这样不合常规的坐标系是希望能够突破常规的思维定势训练在任意空间建立任意坐标系的能力。 图2-1 图2-1中的机械臂，底部灰色立方体示意机械臂底座，定义为关节1，它能绕图中Y轴旋转；青色长方体示意关节2，它能绕图中的Z1轴旋转；蓝色长方体示意关节3，它能绕图中的Z2轴旋转；绿色长方体示意关节4，它能绕图中的X3轴旋转；深灰色长方体示意关节5，它能绕图中的Z4轴旋转；末端浅灰色机构示意关节6即最终要控制的机械手，机器人代替人的工作就是通过这只手完成的，它能绕图中的X5轴旋转。这儿采用关节这个词可能有点不够精确，先这么意会着理解吧。 3运动学分析 3.1齐次变换矩阵 齐次变换矩阵是机器人技术里最重要的数学分析工具之一，关于齐次变换矩阵的原理很多教科书中已经描述在此不再详述，这里仅针对图2-1的机械臂写出齐次变换矩阵的生成过程。首先定义一些变量符号，关节1绕图中Y轴旋转的角度定义为θ0，当θ0=0时，O1点在OXYZ坐标系内的坐标是(x0,y0,0)；关节2绕图中的Z1轴旋转的角度定义为θ1，图中的θ1当前位置值为+90度；定义O1O2两点距离为x1,关节3绕图中的Z2轴旋转的角度定义为θ2，图中的θ2当前位置值为-90度；O2O3两点距离为x2，关节4绕图中的X3轴旋转的角度定义为θ3, 图中的θ3当前位置值为0度；O3O4两点距离为x3，关节5绕图中的Z4轴旋转的角度定义为θ4, 图中的θ4当前位置值为-60度；O4O5两点距离为x4，关节6绕图中的X5轴旋转的角度定义为θ5, 图中的θ5当前位置值为0度。以上定义中角度正负值定义符合右手法则,所有角度定义值均为本关节坐标系相对前一关节坐标系的相对旋转角度值（一些资料上将O4O5两点重合在一起即O4O5两点的距离x4退化为零，本文定义x4大于零使得讨论时更加不失一般性）。符号定义好了，接下来描述齐次变换矩阵。 定义R0为关节1绕Y轴的旋转矩阵 =cosθ0 s0 = sinθ0 //c0 R0 =[c0 0 s0 0 0 1 0 0 0 c0 0 -s0 0 0 0 1] 定义T0为坐标系O1X1Y1Z1相对坐标系OXYZ的平移矩阵 T0=[1 0 0 x0 0 1 0 y0 00 1 0 0 0 0 1] 定义R1为关节2绕Z1轴的旋转矩阵 R1=[c1 –s1 0 0 s1 c1 0 0
六自由度机械手设计
机械设计课程设计说明书 六自由度机械手 TOPWORK 上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 设计者： 李晶(5030209252) 李然(5030209316) 潘楷 (5030209345) 彭敏勤 (5030209347) 童幸 (5030209349) 指导老师：高雪官 2006616
、八— 刖言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业 的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自 动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、 华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越 来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交 货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另 外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定， 而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手 提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将 被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机 械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录 一.设计要求和功能分析 4 - ?- ■基座旋转机构轴的设计及强度校核 5 三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 8 四.左右摇摆机构零件设计和强度校核 11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 19七.机构各自由度的连接过程 25八.设计特色 28九.心得体会 28十.参考文献30 一. 任务分工31 十二.附录（零件及装配图）31
六自由度机械臂控制系统设计
六自由度机械臂控制系统设计 随着世界各地恐怖事件的不断爆发，采用六自由度机械臂实现对爆炸物的排除已成为现如今防恐事业的一项重要手段，机械臂在进行作业的过程中，排爆需要灵活的操作和细致的动作。机械臂的自由度往往在四五个左右，为了满足排爆工程的需求，就需要加强机械臂的操作自由度，因此设计六自由度机械臂就显得尤为重要。 标签：六自由度；机械臂；控制系统设计 1.六自由度机械臂控制系统设计要求 六自由度机械臂的运动控制硬件分别是机械手的运动控制、驱动电路的底层控制、远程通信以及远程控制、视觉传感和辅助传感系统和上层控制的人机交互。 在整个自由度机械臂控制系统中，上位机控制系统的主要功能是给操作者提供良好的人机交互界面，而且机械臂的操作能够通过配套的便携手柄而实现，所以上位机要对手柄所发射的信号进行有机的掌握和控制，对下位机系统的控制还需要上位机系统给出，同时还要将下位机及机械臂运动状态信息能够及时反馈给操作者。操作手柄和下位机作为移动设备而言，上位机控制系统除了能够提供有线的控制，还要提供相应的无线通信系统，其控制的有效距离在100米左右实现控制的指令和运动反馈的信号达成。在移动载体的设计上，除了放置机械手实现对抓取的射线图像检测仪，机械臂和车身上还装置了两台CCD摄像机和两个自由度的云台，并相应地配备录像机以对排爆过程进行全程的记录。这些信息的反馈就是通过无线图像模块实现的。 在机械臂手部的设计过程中，因为机器人的抓手在整个机械臂系统中作为最末端的执行器，在抓取和实现操作工作的时候，其可以根据需要分为钳式和吸附式。在这个层面上我们主要考虑的是机械臂在进行工具抓取的时候，需要采用钳式的爪手，在爪手上的电机，我们选择的是MICRO-STd伺服电机，在电机的尺寸设计上，要保证电力能够在最小的空间占比和最轻的质量占比，从而满足于机械臂的灵活性。在机器人的机械臂设计中，机械臂是由四到五个伺服的电机组成的，对伺服电机的控制能够保障机械臂在不同使用需求上的不同位置和方向的自由变化。机械臂的手臂电机在设计过程中为了满足其灵活性，选择的是金属齿轮的伺服电机。在六自由度机械臂的手腕处，我们采用与爪手处相同的伺服电机，为了能够更好地保证对工具的夹持和手腕部的回转设计，六自由度机械臂在其底座的设计上，我们选择合金压铸技艺，从而使得底座能够支撑起整个手臂的重量，保障其在运行过程中的稳定性。对于标准的伺服机而言，其主要有三条引线，分别为电源线VCC、接地线以及控制信号的传播线。 2.控制器的设计 在对六自由度机械臂的控制器的设计上，主要采用单片机作为主控制器，通
六轴运动机器人运动学求解分析_第一讲
六轴联动机械臂运动学求解分析 第一讲 作者朱森光 Email zsgsoft@https://www.360docs.net/doc/1314892173.html,
1引言 笔者研究六轴联动机械臂源于当前的机器人产业热，平时比较关注当前热门产业的发展方向。笔者工作主要从事软件开发跟机器人毫无关系，利用业余时间研究整理机器人技术相关的文章，希望能够起到抛砖引玉的作用引发更多的人发表有关机器人技术的原创性技术资料。本系列文章的所有文字、图片及相关资料均为原创，内容正确性经过笔者亲自编程仿真验证可以信赖。 2机器建模 2.1坐标系 既然要研究机器人，那么首先要建立一个机械模型，本文将以典型的六轴联动机器臂为例进行介绍，图2-1为笔者使用3D技术建立的一个简单模型。首先建立一个大地坐标系，一般教科书上都是以大地为XY平面，垂直于大地向上方向为Z轴，本文为了跟教科书上有所区别同时不失一般性，将以水平向右方向为X轴，垂直于大地向上方向为Y轴，背离机器人面向人眼的方向为Z轴，移到电脑屏幕上那就是屏幕水平向右为X轴，屏幕水平向上为Y轴，垂直于屏幕向外为Z轴，之所以建立这样不合常规的坐标系是希望能够突破常规的思维定势训练在任意空间建立任意坐标系的能力。 图2-1 图2-1中的机械臂，灰色立方体为机械臂底座，定义为关节1，它能绕图中Y轴旋转；青色为关节2，它能绕图中的Z1轴旋转；蓝色为关节3，它能绕图中的Z2轴旋转；绿色为关节4，它能绕图中的X3轴旋转；红色为关节5，它能绕图中的Z4轴旋转；黄色为关节6，它能绕图中的X5轴旋转。 2.2齐次变换矩阵 齐次变换矩阵是机器人技术里最重要的数学分析工具之一，关于齐次变换矩阵的原理很多教科书中已经描述在此不再详述，这里仅针对图2-1的机械臂写出齐次变换矩阵的生成过程。首先定义一些变量符号，关节1绕图中Y轴旋转的角度定义为θ0，当θ0=0时，O1点在OXYZ坐标系内的坐标是(x0,y0,0)；关节2绕图中的Z1轴旋转的角度定义为θ1，图中的θ1当前位置值为+90度；定义O1O2两点距离为x1,关节3绕图中的Z2轴旋转的角度定义为θ2，图中的θ2当前位置值为-90度；O2O3两点距离为x2，关节4绕图中的X3轴旋转的角度定义为θ3, 图中的θ3当前位置值为-60度；O3O4两点距离为x3，关节5绕图中的Z4轴旋转的角度定义为θ4, 图中的θ4当前位置值为-60度；O4O5两点距离为x4，关节6绕图中的X5轴旋转的角度定义为θ5, 图中的θ5当前位置值为+60度。以上定义中角度正负值定义符合右手法则。符号定义好了，接下来描述齐次变换矩阵。 定义R0为关节1绕Y轴的旋转矩阵 cosθ0 s0 = sinθ0 = //c0 R0=[c0 0 s0 0 0 1 0 0 0 c0 0 -s0 0 0 0 1] 定义T0为坐标系O1X1Y1Z1相对坐标系OXYZ的平移矩阵 T0=[1 0 0 x0 0 1 0 y0 00 1 0 0 0 0 1] 定义R1为关节2绕Z1轴的旋转矩阵 R1=[c1 –s1 0 0
6自由度机械臂控制系统设计(软件)本科本科毕业论文
本科毕业论文（设计） ( 2014 届) 6自由度机械臂控制系统设计（软件）院系电子信息工程学院专业电子信息工程 姓名许克伟 指导教师范程华讲师 2014年4月
摘要 本文设计了一种以STC89C52单片机为主控元件的六自由度机械臂抓取系统。文中给出了系统的硬件设计方案以及各个功能原理图，同时给出了软件系统设计方法。系统实现了自动寻找目标并自动实施抓取目标且可通过PC上位机实时显示和控制机械手臂的功能，并能实现自动探测手臂与目标之间距离。在设计时，由于需要测量的距离范围从几厘米到几十厘米，针对超声波在传播时振幅呈指数衰减的特性，为了最大限度地提高驱动能力，采用对回波进行多级放大，以达到了设计要求，由于各个模块供电要求不同，电源电路模块通过稳压芯片输出7.2V、5V和3.3V电压。软件主要分为超声波距离测量模块和无线通信模块、数据处理模块这三大模块。软件的这种“自顶向下”的模块化软件编程方法，能使软件的结构更清晰，并有利于软件的调试和修改。经过调试，达到能够实现自动抓取目标和手动控制抓取目标功能。 关键词：超声波；VB上位机；六自由度机械手臂；STC89C52
This paper designs a mechanical arm whose main control component is STC89C52 single-chip microcomputer and based on the six degrees of freedom to control scraping system. Hardware design scheme of the system and each functional machine schematic diagram are also given in this paper , software program design method is given at the same time, the system realizes the automatic searching target and the implementation of automatic grab and real-time display by PC ,and realizes the function of controlling mechanical arm, and can realize to automatically detect the distance between the arm and target, then implement real-time display on the upper machine. .When designing, due to the distance need to measure ranges from several centimeters to tens of centimeters, aiming at the characteristics of ultrasonic wave amplitude decay exponentially in transmission, in order to develop the drive ability maximally, the echo multistage amplifier is be adopted. Due to the different requirements for each module power supply, in order to achieve the design requirements, power supply circuit module output voltage 7.2V, 5V and 3.3V through the voltage regulator chip. The software is mainly divided into three modules : the ultrasonic distance measuring module and wireless communication module, data processing module. The "top-down" modular software programming method of software can make the software structure more clearly, and benefit in the debugging and modification of software. After debugging, it can realize the function of grabbing the target though automatically add manually control. Key words: Ultrasonic wave;VB;Six degrees of freedom robotic arm;STC89C52
六自由度机械手的坐标建立及运动学分析
第**卷第**期20**年*月 机械工程学报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vo l.** No.* *** 20** DOI：10.3901/JME.20**.**.*** 六自由度机械手的坐标建立及运动学分析 摘要：从运动学分析的基础上着手研究轨迹控制的问题，利用运动学逆解的方式分析复杂轨迹运动的可行性和实用性。通过建立机械手的笛卡尔坐标系，推导出机械手的正、逆运动学矩阵方程，并研究了正、逆 运动学方程的解；在此基础上建立机械手的工作空间，并讨论其工作空间的灵活性和存在可能性。 因此本文的另一种方式对六自由度串联机械手的复杂运动控制问题进行研究，提出以机械手示教手柄引导末端执行器对复杂运动轨迹进行预设计。然后通过记录程序进行复杂轨迹的再实现，再对记录程序进行预修改，最终通过现有的程序进行设计编程完成复杂轨迹设计任务。并利用MATLAB对轨迹进行仿真，对比其实际与计算的正确性。 最后本设计通过六自由度串联机械手实现平面文字轨迹，得出其设计的方式。即首先利用示教手柄实现轨迹预设，记录预设轨迹程序，然后再对比程序初始化坐标进行手动编程。 关键词：六自由度机械手，笛卡尔坐标系，运动学方程，仿真，示教手柄 The coordinates of six degrees of freedom manipulator and kinematics analysis is established WU Yanchao JIN Yuanxun ZHAO Xin LI Daohai SONG Ping MENG Ya ABSTRACT：T his article based on the analysis of kinematics to study the trajectory control problems, use of inverse kinematics of the complex mode of tracking movement of the feasibility and practicality. Through the establishment of the manipulator Cartesian coordinates, derived manipulator is the inverse kinematics matrix equation and the study is the inverse kinematics of the equation solution on the basis of this establishment manipulator working space. And discuss their work space The flexibility and the possibility exists. So in another way to the six degrees of freedom series manipulator motion control the complex issues of research, to handle the machinery Shoushi guide for the implementation of the end of the complex pre-designed trajectory. Then track record of the complicated procedure to achieve, and then record the pre-amended procedures.The eventual adoption of the existing procedures designed trajectory design of complex programming tasks. And using MATLAB simulation of the track, compared with its actual calculation is correct. The final design through six degrees of freedom series manipulator track to achieve flat text, draw their design approach. That is, first of all use of teaching handle achieve trajectory default the track record of default procedures, and then compared to manual procedures initialized coordinate programming. key words：Six degree-of-freedom manipulators，Cartesian coordinates， Equations of motion，Simulation， Demonstration handle
单片机六自由度机械手控制程序
单片机六自由度机械手控制程序 #include
void init(void); void EXT1_INT(void) { EX1=1; IT1=1; EA=1; } void EXT0_INT() { EX0=1; IT0=1; EA=1; } void EXT1_INT_SRV() interrupt 2 { i++; } //主程序 void main() { while(1) {if(k1==0) {reservo();//电机复位程序break;} } EXT1_INT();//中断初始化 if(i!=0&&i%6==0)
(完整word版)六自由度机器人结构设计
六自由度机器人结构设计、 运动学分析及仿真 学科：机电一体化 姓名：袁杰 指导老师：鹿毅 答辩日期： 2012.6 摘要 近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获 得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此 研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义 的。 典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在 生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合项 目的要求，设计了一种小型的、固定在AGV 上以实现移动的六自由度串联机器人。 首先，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择
其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用D-H 方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解；用矢量积法推导了速度雅可比矩阵，并计算了包括腕点在内的一些点的位移和速度；然后借助坐标变换矩阵进行工作空间分析，作出了实际工作空间的轴剖面。这些工作为移动式机器人的结构设计、动力学分析和运动控制提供了依据。最后用ADAMS 软件进行了机器人手臂的运动学仿真，并对其结果进行了分析，对在机械设计中使用虚拟样机技术做了尝试，积累了 经验。 第1 章绪论 1.1 我国机器人研究现状 机器人是一种能够进行编程，并在自动控制下执行某种操作或移动 作业任务的机械装置。 机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及 人工智能等多种科学的最新研究成果，是机电一体化技术的典型代表，是当代科技发展最活跃的领域。机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。 我国是从 20 世纪80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要
(完整版)六自由度搬运机械手结构设计
2. 六自由度搬运机械手的结构设计 根据机械手的基本要求能快速、准确地拾起-放下搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任一位置都能自动定位等特征。设计原则是：充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺、并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对该机械手结构和运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转接和编程控制。本课题设计的是一种小型的多关节式六自由度机械手，能够满足相应的动作要求，并对一些小质量工件实现抓取、搬运等一些列动作。 2.1 六自由度搬运机械手的功能分析 该机械手系统共有6个自由度，分别为肩的回转与曲摆，大臂的曲摆，小臂的曲摆，手腕的曲摆与回转，以及手抓的回转。 该系统中基座固定，与基座相连的肩可以进行360度的回转；与肩相连接的大臂可以进行-90～+90度曲摆，与大臂相连接的小臂可以进行-90～+90度曲摆，大臂和小臂动作幅度较大，可以满足俯仰要求。手腕可以进行360度的旋转，手腕也可以完成-90～+90度的曲摆，末端的手爪部分可以-90～+90度夹持，手爪 部分通过一对齿轮的啮合转动，及其四杆机构完成手爪的开合，可以满足夹持工件的要求。 通过预先编好的程序，下载到单片机内，从而使该六自由度搬运机械手能独立的完成一套指定的搬运动作，并一直重复进行下去！ 2.2 六自由度搬运机械手的坐标形式和自由度 2.2.1 六自由度搬运机械手的坐标形式 按机械手手臂的不同运动形式及组合情况，其坐标形式可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。 （1）直角坐标式机械手 直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或传送带配合使用的一种机 械手。它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按照直角坐标形式x、y、z三个方
小型六自由度的工业机械手的控制设计
小型六自由度的工业机械手的控制设计 1、系统设计目的及意义 工业机器人，又称机械臂，在现代化工业生产中正发挥着越来越重要的作用，它被广泛应用到流水生产线上，代替人类从事焊接、喷涂、搬运等许多较繁重的劳动，这不仅大大提高了生产效率，同时也极大地提高了产品的加工精度和产品质量。随着时代的进步，机器臂技术的应用越来越普及，已逐渐渗透到军事、航天、医疗、日常生活及教育娱乐等各个领域，可以说工业机器人的应用对现代工业的发展起到了巨大的推动作用。 论文围绕哈尔滨工程大学自动化学院学生创新实验室购买的教学用小型六自由度机械臂，完成对其关节控制系统的设计开发，开发内容包括硬件系统和软件系统。从而使其能够达到一定的控制精度，为后续的控制算法的研究提供一个完整的平台。 2、主要研究内容 论文的主要内容包括：对机械臂结构的改进、安装合适的控制系统、数学建模、运动学分析，轨迹规划研究、控制算法研究和三维仿真研究等部分。 图2.1 机械臂系统研究内容图 2.1、机械臂结构改造 创新实验室购买的教学用六自由度机械臂存在以下两个明显不足，需要对其
进行较大的改动： （1）原机械臂包括爪子在内共六个自由度，实际上爪子是机械臂的末端执行器，它不影响位置和姿态，不能作为一个独立自由度； （2）原机械臂的关节执行器使用的是6个舵机，各关节处没有任何反馈装置，只能做简单开环控制，生产厂家的技术人员证实了这一点。为了完成本次论文的立题要求，需要至少在一个关节上做成闭环控制。 针对以上两点不足，在不破坏机械臂的前提下，作者对机械臂的结构和控制部分做了以下相应改动： （1）去掉爪部关节，另外增加两个关节，使机械臂达到六个自由度，同时利于建立其数学模型； （2）将底座舵机换成直流减速电机，增加一定的机械结构来安装角度反馈装置，从而使机械臂能够完成一定的闭环控制，满足论文的立题要求。 图2.2改装后的六自由度机械臂实物图 2.2、数学建模 六自由度链式(6R)机器臂是具有六个关节的空间机构，为描述末端执行器在空间的位置和姿态，可以在每个关节上建立一个坐标系，利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的位置。一般采用Denavit-HartenBerg法(D-H法)建立坐标系并推导机械臂的运动方程。D-H法是1995年由Denavit和HartenBerg提出的一种建立相对位姿的矩阵方法。利用齐次变换描述各个连杆相对于固定参考坐标系的空间几何关系，用一个4×4的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，从而推导出末端执行器坐标系相对于基坐标系的等价齐次坐标变换矩阵，建立机械臂的运动方程。依据D-H法，相邻两坐标系之间的关系表示为：
基于六自由度机械臂运动学问题的仿真研究
基于六自由度机械臂运动学问题的仿真研究 【摘要】以六自由度工业机器人——MOTOMAN-HP6 机器人为研究对象，简单介绍了机器人运动学的数学基础。根据机器人的相关参数，建立了机器人运动学模型及相关坐标系，对机器人的正运动学及逆运动学问题进行了研究。采用MATLAB 开发工具建立系统界面，编制了相关程序，结合实例对机器人的直线、圆弧及自由曲线轨迹的生成进行了仿真，完成了系统设计。为后续实习用工业机器人离线编程系统的开发打下了基础。 【关键词】六自由度;机械臂运动学 Abstract：This thesis takes MOTOMAN-HP6 robot as the research object，introduces the mathematical foundation of the robot kinematics briefly.According to the related parameters of the robot，the kinematics model and the relevant coordinate of the robot are built，the kinematics and inverse kinematics problem is studied.The system interface based on MATLAB is built and the related program is compiled.The straight and curve motion of the robot are simulated with instances and the system design is completed.For the design of the off- line programming system of the practice industrial robot laid the foundation. Key word：Industrial robots;Inverse kinematics analysis;System simulation;Free curve;MOTOMAN 1.引言 在工业机器人的应用中，系统仿真技术起到了很重要的作用。仿真技术是在近几十年来基于计算机技术、控制技术等发展起来的一门综合性技术[9]。随着计算机技术的发展和普及，系统仿真技术的应用范围也越来越广，基本包括了人们生活、生产的各个领域。而在工业机器人的应用中，仿真技术的重要性体现的也相当的明显。 本文以目前应用较广泛的六自由度工业机器人——MOTOMAN-HP6 机器人为研究对象，采用MATLAB开发工具建立机器人的运动学模型及相关的坐标系，对机器人的正运动及逆运动学的相关算法进行了研究，并对几种不同的求解方法进行了对比，接着分析了直线、圆弧及自由曲线轨迹的生成相关算法，特别是对自由曲线的轨迹生成算法的关键技术进行了研究。 2.机械臂结构 从图1中可以看出，机器人各个关节的尺寸关系以及中心点的坐标值及机座坐标原点的位置等。在机器人的各个连杆上固接一个坐标系，研究这些坐标系之间的关系，就可以研究机器人各连杆之间的关系（见表1）。
6自由度机械手控制手册 V1
6自由度机械手 控制手册 版本：V1 YFROBOT 2015年10月23日
1、了解机械手 (3) 1.1机械手 (3) 1.26自由度机械手简介 (3) 2、机械手安装 (3) 2.16自由度机械手安装 (3) 3、硬件选择 (4) 3.1材料准备与介绍 (4) 3.2材料组合方式选择 (6) 4、连接与调试 (7) 4.1方式1连接与调试 (7) 4.2方式2连接与调试 (8) 4.3方式3连接与调试 (9) 4.4方式4连接与调试 (10) 5、总结 (12)
1、了解机械手 1.1机械手 机械手是能模仿人手和臂的动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它主要主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。它可以代替人从事繁重的危险的重复的劳动，即提高了生产效率，又能更好的保证人的安全，所以在工业生产中被广泛应用。 1.26自由度机械手简介 我们这里的机械手仅用于学习与娱乐，不能和工业机械手相提并论的！ 下面我们简单介绍下我们的机械手组成部分：1、执行部分-机械手支架2、驱动部分-伺服舵机3、控制部分-控制板或舵机控制器或控制板+舵机控制器4、电源部分-驱动伺服电源+控制部分电源。 2、机械手安装 2.16自由度机械手安装 用户根据购买的机械手类型，选择文档查看：6自由度机械手控制手册V1\机械手安装。 1、圆盘底座6自由度机械手安装 2、非圆盘底座6自由度机械手安装 ①② 安装提示：安装过程中注意舵机轴的位置，尽量保持轴在中间位置也就是90度左右，这样可以减少后期的拆卸重装的步骤！
3、硬件选择 3.1材料准备与介绍 玩一个6自由度机械手，需要的材料： □6自由度机械手支架（必备） □6个伺服舵机（必备、可选DS3115or996） □电源（必备） □控制板、舵机控制器（选择） □遥控部分-PS2手柄（可选） 3.1.1机械手支架 这里支架就是个机械结构，主体支架都是金属材质的非常可靠。 3.1.2舵机 舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成，可以根据脉冲信号，精确控制旋转角度。 它需要一个20ms的脉冲信号，其中高电平部分范围一般为0.5ms~2.5ms，间隔2ms，对应舵机旋转角度，如图：
六自由度机械臂
VME 运动控制器 六自由度机器人 概 述 六自由度机器人是一种典型的工业机器人，在自动搬运、装配、焊接、喷涂等工业现场中有广泛的应用。固高科技GRB 系列六自由度机器人是固高成熟完备的运动控制技术与先进的设计和教学理念有机结合的产物,既满足工业现场要求，也是教学、科研机构进行运动规划和编程系统设计的理想对象。 该机器人采用六关节串联结构，各个关节以“绝对编码器电机+精密谐波减速器”为传动。在小臂处留有安装摄像头、气动工具等外部设备的接口，并提供备用电气接口，方便用户进行功能扩展。 机器人的控制方面，采用集成了PC 技术、图像技术、逻辑控制及专业运动控制技术的VME 运动控制器，性能可靠稳定，高速高精度。 主要特点 开放式控制实验平台 z 基于VME 总线高性能工业运动控制器的开放式平台，支持用户自主开发； z 通用智能运动控制开发平台，采用VC++或OtoStudio 计算机可编程自动化控 制系统开发工具 z 配备图形示教功能，便于机器人的编程操作和应用培训； z 配套内容详尽的操作手册和学生实验指导书，通过实例演示，引导用户操作并学习如何基于运动控制器开发各种应用软件系统。 工业化设计与制造 z 按照工业标准设计和制造； z 机构设计成6轴串联旋转式关节，各关节采用绝对型编码盘交流伺服电机驱 动，谐波减速器传动； z 模块化结构，简单、紧凑，预留电气与气动标准接口； z 较高的负载、更快的轴动作速度、大的许用扭矩和转动惯量使机器人应用广 泛，可用于搬运，点焊，装配，点胶，切割，喷涂等行业； z 具备最大的工作半径和最小的干涉半径，工作范围大，在系统设计上提供较 大的灵活性，夹具、剪丝机等设备可以采用更高效的安装方式；